?? 摘 要:2004年9月—2006年10月,选择华北地区4个观测站开展了太阳辐射(光合有效辐射PAR、可见光辐射VIS、总辐射Q等)和气象参数等的综合测量,得到了PAR、VIS等的变化特征。结果表明:PAR /Q、VIS/QPAR /VIS相对稳定,有明显的日、逐日和季节变化,并受到水汽、散射因子和云等因素的影响。2004—2006年禹城、栾城、香河和兴隆地区VIS/Q、PAR /Q和PAR /VIS的平均值分别为0·39, 1·95 mol·MJ-1和4·97 mol·MJ-1; 0·39, 1·94 mol·MJ-1和4·95 mol·MJ-1; 0·43, 2·16 mol·MJ-1和4·97 mol·MJ-1; 0·42, 2·03 mol·MJ-1和4·89 mol·MJ-1。建立了计算华北地区实际天气PAR、VIS小时累计值的经验公式及PAR与VIS转换关系式,计算值与观测值符合得较好。考虑水汽和散射因子时,PAR、VIS计算值与观测值的相对偏差分别为13·0%、12·4%。由于某些站点可能缺少直接辐射或散射辐射数据,因此在仅考虑水汽因子时,PAR、VIS的相对偏差分别为13·2%、12·8%,故对于PAR、VIS的传输和计算来说,水汽因子的作用最为重要;散射因子的作用虽弱于水汽因子,但也不应忽视。
1 引言
太阳辐射是地球系统的唯一能量来源,光合有效辐射是其重要组成之一。光合有效辐射(PAR)作为一种气候资源,在评价作物光合潜力、潜在产量研究中被列为重要的科学依据[1-2]。PAR(波段一般取400—700 nm)在植物进行光合作用过程中起着重要作用,是影响光合过程的关键因子[3]。PAR还是植物挥发性有机物(VOC)排放的重要因子[4—5],VOC是对流层光化学过程产生臭氧的重要前体物。因此,PAR在农学、林学、生态学和大气化学等领域具有重要作用。目前广泛使用的PAR计量指标主要有: (1)辐照度(W·m-2),主要用于辐射、气象和气候等领域,本文用VIS表示; (2)量子通量密度(μmol·m-2·s-1),主要用于农学、生态学和大气化学等领域,按习惯表示为PAR。国内外关于PAR算法的研究大多集中于气候学方面[2, 6-16],即主要涉及PAR季、月、旬平均(或累计量)的计算,目前实际应用中迫切需要PAR小时值。由于PAR与总辐射的比例ηQ在世界各地相对稳定(季节或年际尺度上),因而一些科学家将ηQ取为常数。然而,国内外各地大量的观测(以及本研究华北地区不同站点的测量结果)表明,ηQ(特别是小时值)受到多种因素(如水汽、散射因子或气溶胶、霾、云、雨、雪和沙尘等)的影响,并有明显的时间和空间变化。实际上,PAR和VIS均表示可见光波段的能量,能量比值PAR /Q应小于1、PAR /VIS应等于1,但由于使用不同的单位,造成PAR /Q≮1,PAR /VIS≠1。另外,不同领域对于PAR、VIS数据的使用和共享还有较多不便(主要是因为各地PAR与VIS的转换关系或数量关系不是常数)。
目前,全球范围PAR的测量还不像总辐射测量那样普及,卫星对地面PAR的反演也需地面高精度PAR的验证。鉴于上面的问题以及对PAR小时值的需求,以台站常规观测资料为基础,首选华北地区建立PAR统一、实用的经验算法,PAR在2种单位下的转换关系已非常必要。它可以避免一般模式中各种参数选择和输入的不确定性,同时也可以将大气中很多的物理、化学过程进行合理简化,从而得到简洁的算法。另外,也希望本文方法为其他地区乃至全国PAR算法的建立提供参考。
2 资料与方法
选择中国科学院野外站中能够代表华北地区辐射特征的4个站点,即山东省禹城农业综合试验站(36°57′N, 116°36′E,海拔高度为23 m)、河北省栾城农业生态系统试验研究站(37°50′N, 114°40′E,海拔高度为50 m )、中国大气物理研究所香河站(39°47′N, 116°57′E,海拔高度为95 m)、大气本底观测网兴隆观测站(40°23′N, 117°35′E,海拔高度为表(TBQ-4-1型),波段分别为270—3 200nm、400—3 200nm、700—3 200nm,灵敏度为5—10mV/(kW·m-2),时间响应均小于等于1s(1/e),稳定性均小于等于(±)2%;国产直接辐射表,TBS-2型,波段为270—3 200nm;散射辐射为国产TBD-1型散射装置和TBQ-2总辐射表;进口PAR表, LI- 190SA Quantum Sensor,相对误差小于(±)5%。可见光辐射为400—3 200nm与700—3 200nm测量值之差。国产辐射表在使用前均作了标定。直接辐射的观测时间始于2005年9月21日。辐射测量的采样频率为1Hz。气象参数(温、湿、压、风等)的测量采用国产(长春气象仪器研究所)HBW型铂电阻温度传感器、BSC-2型相对湿度传感器、EC9 -1型高动态性能测风传感器和MS5534A型压力传感器(美国Intersema公司)。辐射和气象观测设在专门的气象观测场内,它们的测量数据由各自的计算机进行采集和存储。其他3站使用另一套辐射测量系统[15],实验前国产辐射表均作了标定。PAR表为进口的LI-190SA光量子感测器。该套测量系统在3站轮流使用,观测时间从日出到日落,采样频率为1Hz,日出前清洁所有表头,每小时巡视和维护仪器,同时记录天气状况、云等。辐射仪器均安装于楼顶,周围没有遮蔽物。温湿度测量为每5min1次。本文主要讨论4站综合性的研究结果(4站详细的观测和研究结果将另文介绍)。
3 结果分析
3·1 辐射量及其比值
对4站辐射、气象参数测量后,获得了4个区域4个季节太阳辐射量(总辐射—Q、直接辐射—S、散射辐射—D、VIS等)小时平均值和累计值(简称时累,取某时刻前1h的累计值)。为减小观测误差及偶然因素的影响,剔除某些不合理的实验数据,包括: (1)日出后和日落前的一些时段; (2)各辐射量及其比值异常值。辐射量比值的变化。4站PAR /Q、VIS /Q和PAR /VIS(小时值之比)的日变化均比较明显,月变化相对比较稳定。具体而言,各个比值的变化特征在晴天非常显著,如4站PAR /Q和VIS /Q在晴天一般表现为早晚高值和中午低值。不同的天气状况、云、霾和雨等多种因素造成它们日变化的复杂、多变,很多情况下表现出与晴天相反或其他类型的无规则日变化。观测发现,各站PAR /Q、VIS /Q和PAR /VIS都有不同的逐时、日、月变化特征和规律,4站PAR /Q、VIS /Q和PAR /VIS虽然相近,但在量值(特别是小时值)、变化特征等方面都存在着差别。因此,不同的大气状况(如水汽含量、雨、雪、雾、霾和沙尘等)使得各地各个比值的变化均比较复杂,即存在明显的时间和空间变化(各站各比值详细的变化特征将另文介绍)。表2给出4站2004—200年实验期间各比值的平均值。4站PAR /Q、VIS /Q、PAR /VIS的平均值比较接近,但略有差别。我国在很多地区都测量过这些比值,如周允华等[1]1984年测量的北京实际天气VIS /Q的平均值为0·43,董振国等[10]1986年测量的石家庄栾城PAR /Q的年平均值为2·17mol·MJ-1。综合考虑4站小时值之比即PAR /Q、VIS /Q和PAR /VIS的变化特征后,为获得华北实际天气PAR、VIS时累值的算法及结果,应该取PAR /Q、VIS /Q和PAR /VIS的实际值而非常数。
3·2 PAR和VIS时累计算
地面接收的可见光辐射应该遵守能量的传播规律,所以太阳的运行规律(以天顶角Z的余弦表示)是第1位的控制因子;其次,它经大气传播后到达地面,因而大气中各种成分的吸收和散射作用是第2位控制因子,分别用e-kwm、e-D /Q表示。进而辐射比值PAR /Q、VIS /Q也受控于为太阳的运行规律(主要因素)和所有物质的吸收和散射作用(次要因素,具有调制作用)。因而提出计算PAR、VIS的经验公式:
为确保算法的客观、准确和代表性,尽量减小观测误差的影响,进一步统一剔除某些数据,包括: (1)早晨、傍晚时段; (2)较大降雨时段; (3)某些和全天雾霾较严重时段; (4)D /Q较大及全天云量为9—10成的时段。实际应用中还要兼顾考虑各种天气条件,所以个别时段适当放宽。最后得到了4站各辐射量时累。温湿度和水汽压数据采用相同方法同步处理。
在分别对禹城(2005—2006年)、栾城(2005—2006年)、香河(2004—2005年)和兴隆站(2006年)实验数据统计分析的基础上,各站分别得到了PAR /Q /cosZ、VIS /Q /cosZ和PAR /VIS /cosZ与吸收和散射因子间较高的相关系数R,分别确定了式(1)—式(3)中的系数和常数,并利用它们计算了各站PAR、VIS和PAR′的时累值。利用式(1)和式(3)计算的PAR分别表示为PAR、PAR′。计算表明,各站PAR、VIS和PAR′的计算值与观测值均比较接近,且有一致的变化规律。禹城、栾城、香河[17]、兴隆站PAR、VIS计算值与观测值的相对偏差分别为11·1%、10·6%;14·4%、13·9%;9·9%、10·8%;13·3%、12·1%。利用这些站不同时间的数据(包括与建立算法同步、不同步的数据)对PAR、VIS计算值进行检验,结果均比较好(具体内容将另文讨论)。基于各站都可以独立获得计算方法并取得较好的计算结果,因而建立华北地区PAR的统一算法已成为可能。
合并4站的实验数据(即禹城站2005—2006年、栾城站2005—2006年、香河站2004—2005年,兴隆站2006年的数据),得到2 977组时累值。对它们重新进行统计分析,得到了PAR /Q /cosZ、VIS /QcosZ和PAR /VIS /cosZ与吸收和散射因子间的R,确定了式(1)—式(3)中的系数和常数,并利用它们计算了各站各时段的PAR、VIS和PAR′。计算值与观测值相对偏差(δ)的最大值(δmax)、最小值(δm in)和平均值(-δ)、计算值与观测值的线性关系(即计算值/观测值,为二维散点图中计算值与观测值线性回归的斜率)和相关系数(R′)等见表3。表4给出PAR、VIS和PAR′的δ分布,大部分数据PAR、VIS (分别占总数的76%、80% )的δ<20%。计算值的δmax,如PAR的+ 52·2%、VIS的+ 48·7%、PAR′的+55·7%分别出现在禹城站2005年4月17日13:00、兴隆站2006年3月11日09:00、栾城站2005年4月20日13:00。主要原因分别为:污染天气,有霾;VIS很低,为0·08MJ·m-2;污染天气,有霾;因而计算值均大于观测值。PAR和VISδ较大的情形(如大于20% )多出现在早晚时段(辐射值较低),以及云量较大、降雨、大雾、霾和沙尘等天气或时段。
这些天气条件下,大气中各种物质对于PAR、Q较大的衰减造成了PAR、VIS的-δ较大。同时,辐射表表头形状的差别(如PAR表表头平且小)也增加了雨、雪和扬尘等条件下PAR、VIS测量误差和计算偏差。综合考虑总的计算结果、计算值与观测值的线性关系,4站PAR、VIS和PAR′的计算值与观测值均符合得比较好,变化规律也比较一致。PAR、VIS的-δ分别为13·0%、12·4%。从PAR与VIS的转换关系来计算PAR′的偏差较大,主要是因为VIS的测量误差较大。图1—图2给出4站PAR、VIS的计算值与观测值的线性关系(PAR′图略)。
采用如下办法检验算法的计算效果: (1)取香河站2004—2005年的实验数据(2 368组),包括建立算法时使用(1 149组)及未使用的数据(1 219组);(2)取兴隆站2005年的实验数据(483组,时间见表1,建立算法时未使用)。计算结果见表5。
需要说明的是,此次检验使用了包括较早、较晚时段及各种天气条件的测量数据,测量误差以及其他各种因素都会增加δ(包括δmax的增加)。综合来看,-δ、计算值与观测值的线性关系较好。考虑到某些台站可能缺少直接辐射或散射辐射以及算法的实用性,在原算法中仅采用水汽因子(去掉散射因子),重复前面的计算,得到了4站(2 977组数据)PAR /Q /cosZ、VIS /Q /cosZ、PAR /VIS /cosZ与吸收因子的R,重新确定了式(1)—式(3)中的系数和常数,并计算了各辐射量的时累,结果见表6—表7。
与采用2个因子的-δ相比,仅用水汽因子时计算结果略差。为获得较好的计算结果及全面了解PAR、VIS的传输过程和相关因子,因此选用2个因子。
采用水汽因子时,利用4站的实验数据对算法进行检验。禹城站、栾城站分别使用2站2005年1月—2006年8月(5 236组)、2005年2月—2006年8月(5 375组)的观测数据,2站均没有VIS和直接辐射的测量,所以只作PAR的检验。香河站和兴隆站用于检验的数据同前。计算结果见表8和图3。增加的禹城站、栾城站数据均为所有天气的实测值,为减小观测误差、各种偶然因素的影响,不考虑如下时段的数据:辐射量很小(或接近零)—较早和较晚及降雨较大、比值(PAR /Q、VIS /Q和PAR /VIS )异常等。虽然对各站数据进行初步筛选,但所取资料中仍包含大量有霾、污染、沙尘和全天云量为10等各种天气。此种情形下,4站PAR以及香河和兴隆站VIS、PAR′的-δ、δmax均增大了。复杂、多变的情况(云、霾、雾、露、雨、雪、霜和沙尘等),燃烧的黑烟,随雨而落的泥点都将增大辐射测量误差:有些现象日常观测中可能未被记录;2a间在3个站的巡回实验中,逐时巡视辐射测量系统(必要之时清洁。
表头,与常规站区别);PAR表头平且小;建立算法时主要针对普遍而非特殊、恶劣的天气等。上述原因都将造成δ的增大。在评价计算结果时,应综合考虑计算值与观测值的δ、线性关系等。比较计算值与观测值的线性关系,香河站、兴隆站的计算结果好于禹城站、栾城站;选用不同因子时,计算结果以用2个因子略好。
综合考虑PAR、VIS和PAR′的算法及其检验结果,它们的计算值与观测值在量值和变化规律上均比较吻合,因而建立的算法是合理、可行的。实际天气有些时段或日期的δ较大,主要是恶劣天气下各辐射值均很低或接近于零。虽然较早或较晚时段PAR、VIS的δ较大,但它们在实际中的作用已很小。研究表明VIS (PAR )是影响植物异戊二烯排放的主要因子[18-19],当VIS早、晚时累小于0·4MJ·m-2时,草地异戊二烯的排放通量一般降为零[19]。因此,可以忽略PAR、VIS (如早晚时段、恶劣天气)较低时较大δ对于这些时段排放通量计算带来的影响。实际大气状况下,各种因素对辐射的影响复杂、多变。霾、云、雨、露、雾、霜、雪和沙尘等对于各个辐射量有不同的衰减作用,由于它们自身及其变化的复杂性,PAR、VIS的测量误差时累值大于日累值,因而PAR、VIS时累比日累的计算偏差增大。
为获得不同天气类型(如晴天、阴天)更高计算精度的PAR、VIS,可以参考本文方法并将天气进行分类[20],或寻找更好的方法。在利用PAR与VIS转换关系时,采用单一滤光片的VIS辐射表将有可能改善计算效果。需要说明一点,香河站的水汽压取值为测量值×10(与其他3站不同),表面上是为了4站使用统一的系数。实际计算中发现了一个现象,在单独处理香河2004—2005年数据(1 149组)时,水汽压取值采用: (1)测量值; (2)测量值×10。在采用2个因子时,情形(1)的水汽项系数和常数项与其他3站相差较大,而散射项系数相近;情形(2)得到的各个系数和常数均与其他3站的相近,其中情形(1)和情形(2)中散射项的系数完全相同。2种情形下,利用不同的系数和水汽压的取值计算PAR、VIS和PAR′时,得到的各个计算值及其偏差如:-δ、δmax、δm in、R、计算值与观测值的线性关系及其R′等均完全相同(表9)。仅用水汽因子时,上述2种情形也得到了不同的水汽项系数和常数,利用这些不同的系数计算PAR、VIS和PAR′时,得到的各个计算结果也完全相同(表10)。这一现象说明: (1)水汽项和散射项彼此独立,经验算法在参数选择上是恰当的; (2)平均而言,香河地区大气中的水汽或地面水汽压与其他3地没有量级上的差别,可以推测香河地区的大气状况特别是大气中的物质成分可能与其他3个区域有明显的差异。香河2次测量时间段2004—2005年和2006年D /Q的平均值分别为0·53、0·74,2006年比2004—2005年增加了39·7%,主要原因是2006年4—10月期间全天有雾霾天气的比例高为93·9%。近年日常观测中发现:周边小型工厂、企业因生产而排放黑烟且闻到刺鼻的气味。
目前虽然缺少长期测量结果,但根据已往经验推测,近年来大气中的各种物质成分(如黑碳、各种气体组分等)可能在增加。因此,这些物质将增加大气对于PAR、VIS能量的吸收。可见光波段与紫外波段[21]一样,大气中各种物质(气、液、固相)对于可见光波段能量的吸收应该也与OH自由基、水汽等有关。水汽不仅作为可见光波段一种吸收物质,它在大气光化学反应中也应该作为一种关键的反应物和媒介在能量消耗、传递中起着重要作用。所以,在统一或相近计算系数的情形下,香河地区水汽的处理明显不同于其他地区,这可能是隐藏在此现象下的本质。(3)我们总是希望利用统一的计算公式或计算方法来定量描述不同地区的大气状态及其相关的某类问题,但是大气状态及其相关问题因区域不同存在着差异,因而对于大气状态的描述还有其特殊性。随着认识程度的深入,可以分析大气中物种成分的种类和数量将越来越多,因此针对不同区域或地区物种成分繁多、变化复杂的大气,以及大气中众多的化学、光化学反应,在相关的模式、算法中应该考虑不同物种成分、不同的物理化学过程、不同的参数等,即在强调和重视普遍性原则的前提下,更要重视特殊性的问题,从而获得对客观规律的准确认识。因此,不同站点区域可以采用统一的系数,而水汽压项视不同区域的特殊性可采用不同的处理方法。从实用角度和可靠性来讲,对于本文未提及区域,经验算法的计算效果还需用实验确认。
在华北地区,水汽和散射因子的重要程度如何?利用前面的数据计算了3种情形的PAR、VIS、PAR′,即考虑a:水汽因子+常数项;b:散射因子+常数项;c:常数项。计算结果见表11(2 977组数据)。
对比表11的结果,综合考虑-δ、δmax,对于PAR、VIS、PAR′的传输和计算而言,得到结论: (1)水汽因子最为重要,且远大于散射项的作用,是计算中必选的; (2)相比水汽因子,散射因子或气溶胶的作用较小(对比表11 a、b情形以及表6、表3); (3)散射因子的作用不能忽略,因为采用水汽+散射因子比单独使用水汽因子可降低δ(对比表6、表3),即PAR、VIS、PAR′的计算偏差(-δ、δmax)在采用2个因子时最小; (4)不应取PAR /Q、VIS /Q和PAR /VIS为常数来计算PAR、VIS和PAR′的时累。
4 结论
(1)2004—2006年在华北地区4个站点开展了太阳辐射、气象参数等综合观测。实际天气表明,4站时累比PAR /Q、VIS /Q和PAR /VIS表现出复杂多变的特征。
(2)依据辐射传输规律建立了华北地区实际天气PAR、VIS时累的经验算法及它们之间的转换关系,计算值与观测值均吻合得比较好。采用水汽和散射因子时,PAR、VIS的-δ分别为13·0%、12·4%;仅采用水汽因子时,PAR、VIS的-δ分别为13·2%、12·8%。
(3)不同方式的检验表明,经验模式给出的实际天气时累值较为合理,可以接受。
(4)为全面、客观地考虑PAR、VIS的传输过程和主要因子的作用,应选用水汽和散射因子,同时也可以获得比较好的计算结果。
(5)影响和控制PAR /Q、VIS /Q和PAR /VIS的主要因子是太阳的运行规律,水汽和散射因子起着调制作用。
(6)水汽因子对于PAR /Q、VIS /Q和PAR /VIS具有重要作用,是利用比值法计算PAR、VIS的首选项;但散射因子的作用也不容忽视。
(7)经验算法选用的2个因子相互独立,可以客观、定量地描述物质的吸收和散射作用。(致谢:中国科学院山东禹城综合试验站欧阳竹、朱农、刘恩民、刘振民、蔡晓光和于延春等提供了帮助,禹城综合试验站提供了有关观测数据。中国科学院栾城农业生态系统试验站胡春胜、安忠民、李发东、宋灿、刘丽环和张宝山等提供了帮助,栾城农业生态系统试验站提供了有关观测数据。中国科学院大气物理研究所香河站李光平、南卫东、周大军、李伟和沈艳红等参加了观测工作,陈洪滨和王庚辰研究员给予了大力支持。中国科学院国家天文台及兴隆观测基地给予了各方面支持。对以上帮助和支持深表谢意)
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本文作者：白建辉
